科研前線│Cell│氧電極]硅藻蛋白核被蛋白質(zhì)外殼包裹從而高效固定CO2

Pyrenoid-蛋白核（造粉核、淀粉核），某些藻類植物載色體上的一種特殊結(jié)構(gòu)，在綠藻中較常見。高等植物中除了角苔綱以外其他均沒有。一個蛋白質(zhì)的核心部分，外圍以若干淀粉小塊，這是藻類植物蛋白質(zhì)與淀粉的一種貯藏形態(tài)。之前，人們一直認(rèn)為藻類蛋白核分為2種：1、具鞘蛋白核(有淀粉鞘)；2、裸蛋白核。

近日，日本關(guān)西學(xué)院大學(xué)（KwanseiGakuinUniversity）生物與環(huán)境科學(xué)學(xué)院生物科學(xué)系YusukeMatsuda課題組聯(lián)合瑞士巴塞爾大學(xué)生物中心（TheUniversityofBasel’sBiozentrum）BenjaminD.Engel等多家研究機(jī)構(gòu)，在Cell上發(fā)表了題為“Diatom pyrenoids are encased in a protein shell that enables efficient CO2 fixation”的研究性論文，該研究首次發(fā)現(xiàn)了第3種藻類蛋白核類型——具鞘蛋白核（PyShell），并分析了硅藻蛋白核PyShell的結(jié)構(gòu)和功能，闡述了它在Rubisco有效催化CO?固定中的貢獻(xiàn)，為研究海洋生態(tài)系統(tǒng)中CO?的同化途徑提供了重要參考。

圖1硅藻細(xì)胞蛋白核PyShell蛋白示意圖

蛋白核的中心部分穿透類木質(zhì)膜，其膜腔中特異性存在碳酸酐酶（CA）。研究認(rèn)為，CA能使硅藻通過從海水中吸收并儲存在葉綠體中的HCO3-快速轉(zhuǎn)化成CO?，為聚合在蛋白核中的Rubisco提供CO?（圖1）。然而，由于蛋白核難以分離，其成分和功能并不為人所熟知。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了硅藻PyShell蛋白的鑒定及定位，并解析了硅藻細(xì)胞中PyShell蛋白的分子結(jié)構(gòu)。此外，研究人員還利用冷凍電子斷層掃描技術(shù)詳細(xì)觀察了硅藻內(nèi)部的微細(xì)結(jié)構(gòu)。

圖2硅藻中PyShell蛋白的鑒定

圖3硅藻細(xì)胞中PyShell蛋白的原位冷凍電鏡斷層掃描圖像

圖4T.pseudonanaPyShell蛋白體外結(jié)構(gòu)示意圖

通過基因組編輯技術(shù)破壞硅藻的PyShell基因后，這些基因被破壞的硅藻在空氣環(huán)境的生長速度顯著變慢，光合作用效率顯著降低，僅為野生菌株的1/80（圖5）。在向反應(yīng)體系中逐步加入NaHCO3的過程中，通過液相氧電極（Hansatech，King'sLynn，U.K.）和氣相色譜火焰離子化檢測器同時測量硅藻（WT、m1和m2）樣品混合物中凈O?的釋放速率和DIC的總濃度。根據(jù)O?釋放速率與DIC濃度的關(guān)系曲線計算光合作用參數(shù)：Pmax，*大凈O?釋放速率；K0.5，Pmax的一半時DIC濃度；[DIC]comp，無凈O?釋放時DIC濃度；APC，表觀光合傳導(dǎo)率（表1）。

圖5T.pseudonanaPyShell突變體的表型和光合參數(shù)

對細(xì)胞粗提取物進(jìn)行蛋白免疫印跡，證明突變體中不存在TpPyShell1和2蛋白；B和C.野生型WT（灰色）、m1（橙色）和m2（黃色）在大氣CO?（LC；0.04%）和高濃度CO?（HC：1%）中的生長狀態(tài)；D.WT、m1和m2的光合活性對無機(jī)碳濃度的依賴性測定；E和F.WT、m1和m2細(xì)胞的FIB-SEM成像，葉綠體（綠色）、蛋白核Rubisco（藍(lán)色）；G-J.根據(jù)FIB-SEM數(shù)據(jù)對蛋白核進(jìn)行形態(tài)定量分析；K-R.m1和m2細(xì)胞的Cryo-ET成像。

表1Pmax，最大凈O2釋放速率；K0.5，Pmax的一半時DIC濃度；[DIC]comp，無凈O2釋放時DIC濃度；APC，表觀光合傳導(dǎo)率。

進(jìn)一步觀察PyShell基因被破壞的硅藻二級葉綠體，發(fā)現(xiàn)正常的蛋白核結(jié)構(gòu)無法形成，蛋白核周圍的片狀結(jié)構(gòu)消失，蛋白核結(jié)構(gòu)崩解并破碎。這表明由PyShell形成的正常蛋白核結(jié)構(gòu)對Rubisco的CO?供應(yīng)至關(guān)重要（圖6）。

圖6 PyShell在組織硅藻pyrenoid結(jié)構(gòu)中的作用

綜上所述，研究人員首次鑒定出包裹在硅藻pyrenoid周圍的蛋白質(zhì)外殼結(jié)構(gòu)——PyShell，并從多個尺度上詳細(xì)表征了PyShell晶格的精細(xì)構(gòu)造。此外，研究人員通過對T.pseudonanaPyShell缺失突變體的深入功能分析，展示了PyShell在維持pyrenoid整體結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵角色，使硅藻能夠在CO?濃度極低的環(huán)境中繼續(xù)生長并高效固定碳，從而支撐其在*球海洋生態(tài)系統(tǒng)中的重要地位。這一系列發(fā)現(xiàn)不僅加深了我們對硅藻碳同化機(jī)制的認(rèn)識，還為未來開發(fā)利用硅藻進(jìn)行碳捕獲與生物能源生產(chǎn)提供了新的可能。